Kapitel 4

wichtig!: elektrischer Ausgang

—> Quecksilberthermometer ist kein Sensor, da keine elektrische Ausgangsgröße

Aktive

• Bsp Fotoeffekt, Halleffekt, Piezoeffeekt, Thermometer

• Erzeugen durch Wirkprinzip ein elektrisches Signal

Passive

• Bsp Widerstandsänderung, Induktionsänderung, Kapazitätsänderung

• Verändern ein vorhandenes Signal

passiver Sensor

Nutzen: Näherungssensor

• Wechselspannung durch Oszillator erzeugt ein Magnetfeld

• tritt auf der aktiven Seite des Sensors über einen Ferritkern in einer Spule aus

• Bei Änderungen im Magnetfeld (Gegenstand in Feldlinien) werden Amplitude und Frequenz des Signals gestört

• Bei Unterschreitung eines Grenzwertes gibts ein Signal (Schmitt - Trigger als Komparator)

• gibt es sowohl passiv als auch aktiv

• Nutzung: automatische und berührungslose Identifizierung und Lokalisierung von Objekten mit Radiowellen

  • Bsp. Transponder

  • Transponder hat eigene Energieversorgung (aktiv)

  • Lesegerät erzeugt magnetische Wechselfelder oder hochfrequente Radiowellen, um Transponder mit Energie zu versorgen (passiv)

• passiver Sensor

• Nutzung: Erfassung von Änderung der Geschwindigkeit eines Objektes relativ zur Schwerkraft

• misst alle drei Raumdimensionen

• Funktionsweise: zwischen einem leitendem “Kamm“ und Kondensatoren breiten sich elektrische Felder aus

• Durch die Trägheit der seismischen Masse verschiebt sich der kamm, was zu Änderungen im elektrischen Feld führt

• Unterschiede führen zu messbaren Signalen

passiver Sensor

Nutzung: Abstandssensor, Drucksensor oder Näherungssensor

Bsp. Kondensatormikrofone (normales Mikro) nutzen dieses Prinzip

• Funktionsweise ist ein elektrisches Feld bestehend aus einer elektrischen Kondensatorplatte und einer bewegten Fläche

• Wird die Fläche in Bewegung oder Schwingung gebracht, verändert dies das elektrische Feld

• Das führt zu einem messbarem Unterschied des Signals

• aktiver Sensor

• Es gibt zwei getrennte Systeme, ein Sender (S) und einen Empfänger (E)

• Der Sender gibt ein gerichtetes Infrorotsignal ab und der Empfänger überprüft den Empfang

• transparente Materialien und Materialien kleiner als der ermittelte Kanal können nicht detektiert werden

• aktiver Sensor

• ein System mit Sender und Empfänger -> Reflexlichtschranke (RS-Lichtschranke)

• Gegenüber von dem System wird ein Tripelreflektor angebracht (erlaubt eine Reflektion des Lichtstrahl auch bei nicht exakt senkrechter Ausrichtung)

• durchsichtige und reflektierende Objekte werden nicht erkannt

• aktiver Sensor

• gleiche Funktionsweise wie RF-Lichtschranke

• Aber Empfindlicher und Empfänger reagiert auf das vom Objekt zurück gegebene Licht

• Alle Objekte die ein ausreichend hohen Lichtanteil reflektieren, wie Spiegel, transparente (außer Milchglas) und undurchsichtige Objekte werden erkannt

Bei schwierigen Installationsbedingungen oder sicherheitstechnischen Problemen werden Lichtwellenleiter verwendet

• Wie eine Adapterverlängerung

• Lichtwellenleiter werden am Sender und Empfänger angebracht und abhängig von der Funktion als Einweglichtschranke, Reflexlichtschalter oder Reflextaster eingesetzt

• Ein Bussystem ist ein gemeinsamer Übertragungsweg, über den mehrere Geräte (z. B. Sensoren, Aktoren, Steuerungen) Daten austauschen. Ein einziges Kabel (der Bus)

• Es gibt Sensor-/Aktor-Busse (niedrigere Ebene) und Feldbusse (höhere Automatisierungsebene)

• statt dass jeder Sensor direkt mit einem Aktor oder Steuergerät verdrahtet ist, erfolgt die Kommunikation über den gemeinsamen Kanal

1. Reduzierter Verdrahtungs-/ Verkabelungsaufwand

2. Geringere Kosten

3. Einfache Erweiterung

4. Zentralisierte oder vernetzte Steuerung

5. Standardisierung

• Sensor- / Aktor- Busse bzw. Bussysteme zur Sensoranbindung

• Feldbusse

Typische Bussysteme zur Sensoranbindung:

SPI (Serial Peripheral Interface)

• Master-Slave-Prinzip, synchron.

• Leitungen: SCLK, MISO, MOSI, CS.

• Hohe Datenrate, einfache Implementierung.

• Für kurze Distanzen und viele Sensoren/Aktoren geeignet

  
  

I²C (Inter-Integrated Circuit)

• Ebenfalls synchroner serieller Bus, aber mit nur zwei Leitungen: SDA (Daten), SCL (Takt).

• Ermöglicht viele Slaves über Adressierung.

• Typisch für On-Board-Kommunikation.

• Unterstützt „Clock Stretching”

typische Feldbusse:

CAN-Bus (Controller Area Network)

• Ursprünglich von Bosch für den Automobilbereich.

• Echtzeitfähig, hohe Störsicherheit durch differentielle Signalübertragung.

• Buszugriff über Wired-AND, Adressierung über Nachrichtentypen, nicht über Knoten.

• Unterstützt z. B. 125 kbit/s bei Leitungslängen bis 530 m

Ein Bussystem, bei dem ein Gerät (Master) die Kommunikation kontrolliert. Slaves antworten nur auf Anfragen des Masters.

Bsp

1. Modbus RTU

2. Profibus DP

3. I²C

4. RS-485-basierte Systeme

Ein Bussystem, bei dem mehrere Geräte (Master) gleichberechtigt sind und selbstständig senden dürfen (z. B. CAN-Bus).

SPI ist ein Protokoll bzw. eine Kommunikationsschnittstelle zur Datenübertragung zwischen einem Master und einem oder mehreren Slaves.

Außerdem ist es ein Standard bzw. Sprache wie Daten gesendet werden. wenn man zwei BAuteile hat, die SPI “sprechen” (SPI Pins besitzt) kann man sie nach den SPI-Regeln verkabeln.

—> Ein Beispiel wäre ein Mikrocontroller als Master mit einem Temperatursensor und einem Flash-Speicher

✳️ Eigenschaften:

• Synchroner Bus: Datenübertragung ist taktgesteuert.

• seriell : einzelne Daten werden nacheinander über eine Leitung übertragen

• Master-Slave-Prinzip: Ein Master steuert mehrere Slaves.

• Typische Leitungen:

  • SCLK (Serial Clock): Taktleitung vom Master- bestimmt, wann Daten gelesen/geschrieben werden

  • MOSI (Master Out Slave In): Datenleitung vom Master zum Slave.

  • MISO (Master In Slave Out): Datenleitung vom Slave zum Master.

  • CS (Chip Select): Wählt gezielt einen Slave aus, während alle anderen stumm bleiben. So können mehrere Slaves angeschlossen werden und Kommunikation klappt trotzdem noch

Beispiel Temperaturabfrage

Temperaturabfragen

1. Der Mikrocontroller (Master) zieht die CS1-Leitung des Sensors (Slave) auf LOW → dieser wird aktiviert.

2. Über MOSI sendet der Master einen Befehl (z. B. „Temperatur senden“).

3. Der Sensor antwortet über MISO mit den Temperaturdaten.

4. Der SCLK gibt den Takt vor, wann die Daten gelesen/geschrieben werden.

5. Nach dem Austausch wird CS1 wieder HIGH gesetzt → Kommunikation beendet.

Daten im Flash-Speicher sichern

1. Mikrocontroller zieht CS2 auf LOW —> Flash wird aktiviert

2. Controller sendet über MOSI den Befehl “Daten schreiben” und anschließend Temperaturwert

3. Flash-Speiucher speichert die DATEN

4. Nachd em Schrieben wird CS2 wieder HIGH gesetzt —> Flash deaktiviert

✳️ Eigenschaften:

• Ebenfalls synchron, aber mit nur zwei Leitungen:

  • SDA (Serial Data Line): Datenleitung.

  • SCL (Serial Clock Line): Taktleitung.

• Mehrere Slaves können adressiert werden (7 oder 10 Bit).

  • Jeder Slave hat eine eindeutige Adresse, die aus 7 oder 10 Bits besteht.Ein Slave ≠ 1 Bit, sondern 1 Slave = 1 von 128 möglichen Adresswerten

• Wired-AND-Technik: mehrere Geräte können auf den Bus schreiben.

  • Alle Teilnehmer sind miteinander verbunden – alle senden und lesen über die gleiche Leitung.

  • Jeder Teilnehmer kann entweder:

    • den Pegel auf LOW (0) ziehen,

    • oder nicht senden (die Leitung bleibt auf HIGH durch einen Widerstand).

• —> bei I²C können Salves nur senden, wenn der MAster sie darum bittet

  • Master initiiert immer die Kommunikation (Start-Bedingung + Adresse).

  • Im Adressbyte gibt er an:

    • Ob er schreiben möchte (R/W = 0 → Master → Slave)

    • Oder lesen möchte (R/W = 1 → Slave → Master)

  • Wenn Lesen (R/W = 1):

    • Der adressierte Slave darf antworten – also Daten senden über die gemeinsame SDA-Leitung.

    • Der Master bleibt trotzdem Taktgeber (SCL).

📘 Anwendungen:

• Sensoren in Embedded Systems, EEPROMs, RTCs.

📦 Vorteile:

• Spart Leitungen – nur zwei für viele Teilnehmer.

• Gute Integration in Sensoren.

• „Clock Stretching“ erlaubt langsameren Slaves Zeitgewinn.

⚠️ Nachteile:

• Vergleichsweise langsam (typisch: 100 kHz bis 400 kHz, max. 3.4 MHz).

• Nur Halbduplex, Datenfluss in eine Richtung je Übertragung.

• Aufwändigere Protokollverwaltung als SPI.

📦 Vorteile:

• Sehr schnelle Datenübertragung (mehrere MHz).

• Vollduplex (senden und empfangen gleichzeitig).

• Einfach zu implementieren in Mikrocontrollern.

⚠️ Nachteile:

• Keine Adressierung – für jeden Slave ist eine eigene CS-Leitung nötig.

• Nur kurze Distanzen geeignet (typisch <1 m).